某大型運載火箭測試發(fā)射流程優(yōu)化策略

鐘文安，張俊新，李智斌，朱良平，晏 政

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，?？?，570203）

0 引 言

測試發(fā)射流程是組織指揮運載器和航天器發(fā)射任務(wù)最重要的總體技術(shù)方案，是工程各系統(tǒng)在發(fā)射場開展各項工作的基本依據(jù)[1,2]。優(yōu)化的流程對于縮短測試發(fā)射周期、提高發(fā)射場年發(fā)射能力、更好地完成重大航天工程具有重要意義。目前，中國某大型運載火箭采用新“三垂”測發(fā)模式，其測試發(fā)射工藝流程滿足現(xiàn)階段測試覆蓋性，以及對測試發(fā)射安全可靠的要求，但存在測試發(fā)射周期長、場區(qū)總裝操作多、發(fā)射區(qū)占位時間長等問題，導(dǎo)致年發(fā)射率不高，亟需開展流程優(yōu)化設(shè)計。

在長期的工程實踐中，中國運載火箭流程優(yōu)化設(shè)計綜合采用了價值鏈分析法、重要性矩陣法、關(guān)鍵路徑法、流程再造法（Business Process Reengineering，BPR）、漸進式流程優(yōu)化（Business Process Improvement，BPI）和層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[2～6]等方法，對成熟型號運載火箭開展了有效的流程優(yōu)化工作。針對大型運載火箭在新型測發(fā)模式下的流程優(yōu)化，尚有多種制約因素需具體分析。

1 現(xiàn)流程基本情況

有別于美國土星5火箭等采用的子級測試模式，中國運載火箭大多采用子系統(tǒng)測試模式，測試發(fā)射工藝流程分為總裝與單元測試、分系統(tǒng)匹配測試、總檢查測試和加注發(fā)射4個階段。

中國某大型運載火箭現(xiàn)階段流程較長，見圖1，總流程達60天左右，該測試流程周期遠超中國現(xiàn)役成熟型號運載火箭。

圖1 現(xiàn)階段基本流程Fig.1 Current Basic Process

2 現(xiàn)流程存在的問題和不足

結(jié)合運載火箭的技術(shù)特點和實際任務(wù)執(zhí)行過程中積累的經(jīng)驗，現(xiàn)階段流程主要存在以下不足：

a）發(fā)射場總裝項目多。

運載火箭需分模塊運輸至發(fā)射場，在發(fā)射場區(qū)完成垂直總裝。與以往型號不同的是，新一代大型運載火箭由于工藝不成熟，尚有大量總裝操作需在發(fā)射場進行，如低溫發(fā)動機大噴管及相應(yīng)管路、傳感器的安裝等，導(dǎo)致火箭在發(fā)射場的總裝流程冗長。

b）測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁。

火箭子級模塊總裝和儀器設(shè)備安裝狀態(tài)既有水平狀態(tài)又有垂直狀態(tài)，如一級和二級發(fā)動機分別在水平和垂直狀態(tài)執(zhí)行安裝操作；箭地匹配度不夠，如工作平臺為適應(yīng)操作可達性，頻繁上下調(diào)整位置等。

c）部分測試項目重復(fù)。

在型號研制和飛行試驗初期，由于任務(wù)數(shù)量相對較少，并未考慮測試效率問題，存在部分測試項目的重復(fù)設(shè)置，如在各次總檢查中，多次進行加注信號聯(lián)試工作，控制系統(tǒng)在小轉(zhuǎn)臺和慣組上箭狀態(tài)開展相同測試項目等。

d）測試操作自動化程度低。

電氣系統(tǒng)各項測試尚未實現(xiàn)“一鍵測試”，且各測試狀態(tài)準(zhǔn)備工作多、時間長；動力系統(tǒng)多種連接器的連接操作均為手動操作，特別是發(fā)射區(qū)氣液管路連接工作時間長，連接后需要開展大范圍置換氣檢工作等。

e）串行測試項目多。

在子樣偏少的情形下，考慮技術(shù)成熟度和人員操作熟練度，安排了許多串行測試，盡量減少系統(tǒng)間并行工作，降低相互干擾造成的失誤。如產(chǎn)品進場、恢復(fù)、交接工作串行進行，避免出現(xiàn)誤操作；安排動力、測量、控制分系統(tǒng)串行測試，防止各分系統(tǒng)相互干擾。

3 關(guān)鍵路徑法+ECRS方法

根據(jù)現(xiàn)階段流程存在的制約因素，采用“關(guān)鍵路徑法+ECRS方法”迭代使用的思路，有針對性地消除流程優(yōu)化制約，以達到預(yù)期的流程優(yōu)化效果。

3.1 關(guān)鍵路徑法

關(guān)鍵路徑法是在價值鏈分析和重要性分析的基礎(chǔ)上，識別測試發(fā)射核心工作的方法。其重點是區(qū)分輔線工作和保障性工作，將重要性程度高、測試時間長的項目識別為測試發(fā)射的核心工作。按照5分制打分，對測試項目對產(chǎn)品功能、系統(tǒng)性能、發(fā)射成敗的影響，以及對系統(tǒng)的影響和對流程的影響進行評價，見表1。

表1 測試項目重要性分析評價Tab.1 Analysis and Evaluation of Test Item Importance

關(guān)鍵路徑法的優(yōu)點是便于發(fā)現(xiàn)影響流程優(yōu)化的重點，適于在多系統(tǒng)、多項目、復(fù)雜技術(shù)狀態(tài)和配合條件的工藝流程制定和優(yōu)化過程中使用。中國載人航天任務(wù)工藝流程即以飛船在發(fā)射場工作流程為主線，有效把握了流程編排的重點。

3.2 ECRS方法

對某大型運載火箭現(xiàn)階段流程采用關(guān)鍵路徑法后，識別出流程關(guān)鍵路徑（主線項目），進一步采用取消、合并、重排、簡化（Eliminate Combine Rearrange &Simplify，ECRS）方法，破除制約現(xiàn)階段流程進一步優(yōu)化的5大制約因素，對流程進行階段優(yōu)化；階段優(yōu)化后，重新識別關(guān)鍵路徑，重復(fù)上述步驟，不斷迭代。流程迭代優(yōu)化示意如圖2所示。

圖2 流程迭代優(yōu)化示意Fig.2 Process Iteration Optimization

4 流程優(yōu)化分析

4.1 關(guān)鍵路徑識別

對現(xiàn)流程進行深入分析，識別流程中重要的、測試操作時間長的項目，即關(guān)鍵路徑。以垂直總裝及單元測試階段工藝流程為例，火箭進場后各模塊總裝、設(shè)備單元測試等工作多線展開，通過梳理，測試工作基本按3條工作線展開，即圍繞芯一級和助推箭體交接總裝、二級箭體交接總裝和單元測試工作線。通過分析，芯一級和助推交接、測試、總裝、發(fā)動機安裝和相關(guān)測試工作是本階段的主線工作，相關(guān)工作項目是本階段流程的關(guān)鍵路徑。

同樣方法識別工藝流程中其他子階段的全部主線項目，形成某大型運載火箭測試發(fā)射的關(guān)鍵路徑。

4.2 ECRS法流程優(yōu)化

a）取消與合并。

隨著產(chǎn)品技術(shù)成熟度的提高，測試覆蓋性和可靠性、安全性分析的不斷深入，部分項目在發(fā)射場測試子樣得到一定積累的情況下，可以取消在發(fā)射場的測試工作，將相關(guān)工作提前至火箭出廠前開展，或合并狀態(tài)相近的項目，集中至相近時間節(jié)點開展，減少技術(shù)狀態(tài)頻繁改變。優(yōu)化的主要方向包括：

1）提升單機產(chǎn)品隨箭運輸能力，取消大量總裝工作，如發(fā)動機噴管安裝等。

2）取消部分重復(fù)測試項目，如蓄壓器水平狀態(tài)測試（可在后續(xù)工作中覆蓋相關(guān)測試內(nèi)容）、重復(fù)的總檢查測試、重復(fù)的控制分系統(tǒng)測試項目等。

3）將現(xiàn)階段各次總檢查前均開展信號聯(lián)試工作，合并保留一次，并覆蓋所有技術(shù)狀態(tài)測試需求。

4）合并控制分系部分重復(fù)測試項目。目前部分項目在慣組轉(zhuǎn)臺狀態(tài)和上箭狀態(tài)均開展測試，可通過合理設(shè)置，在滿足測試覆蓋性條件下進行合并。

b）重排。

針對串行項目，在項目間邏輯關(guān)系不變的前提下，開展并行和交叉并行項目重排，從而減少占用主線流程時間；將發(fā)射區(qū)項目盡量移至技術(shù)區(qū)完成，縮短火箭在發(fā)射區(qū)的占位時間。優(yōu)化的主要方向包括：

1）優(yōu)化火箭進場卸車、箭體恢復(fù)、產(chǎn)品交接至垂直總裝工作流程?，F(xiàn)有流程按照各項工作串行安排，占主線流程較長，采用交叉并行方式重新規(guī)劃，則可縮短進場卸車的時間。

2）優(yōu)化分系統(tǒng)測試流程。目前電氣分系統(tǒng)測試與動力分系統(tǒng)測試串行安排，同樣可采用交叉并行方式開展進一步優(yōu)化。通過項目重排，可以將技術(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換節(jié)點集中到同一時段，以減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)。

3）部分并行安排控制與動力分系統(tǒng)測試項目。目前控制與動力分系統(tǒng)測試基本串行開展，在滿足測試互不干涉的前提下，可通過合理安排部分并行開展相關(guān)測試項目。

4）射后恢復(fù)與任務(wù)工作并行條件建設(shè)?；顒影l(fā)射平臺是新“三垂”模式中核心測試單元，其射后恢復(fù)時間較長，是制約年發(fā)射能力提升的關(guān)鍵。若增加一個活動發(fā)射平臺，則在理想狀態(tài)下，對于相同型號運載火箭，在前一枚火箭吊裝轉(zhuǎn)入垂直總裝測試廠房后，另一枚火箭即可進場開展相關(guān)工作，任務(wù)間隔大幅縮短。產(chǎn)品進場至總裝流程優(yōu)化示意如圖3所示，增加1個活動發(fā)射平臺流程優(yōu)化示意如圖4所示。

圖3 產(chǎn)品進場至總裝流程優(yōu)化示意Fig.3 Process Optimization from Mobilization to Assembly

圖4 增加1個活動發(fā)射平臺流程優(yōu)化示意Fig.4 Add a Mobile Launch Platform for Process Optimization

（5）開展技術(shù)區(qū)貯箱氮氣置換條件建設(shè)，將發(fā)射區(qū)氮氣置換工作移至技術(shù)區(qū)完成，縮短發(fā)射區(qū)的占位時間。

c）簡化。

隨著自動化、智能化測試發(fā)射技術(shù)的進步，采用機內(nèi)測試（Built-in Test，BIT）技術(shù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動快速測試技術(shù)[7,8]，簡化測試操作程序，研制專用智能機械裝置，減少人力資源浪費。優(yōu)化的主要方向包括：

1）對某大型運載火箭總檢查測試階段后尾翼安裝工作，開展智能安裝機構(gòu)研制工作，使安裝時間減少，且不再占用主線流程。

2）優(yōu)化電氣分系統(tǒng)測試項目，開發(fā)一鍵測試程序，減少測試時間。

3）研制快速對接裝置，減少人工對接工作，縮短轉(zhuǎn)入發(fā)射區(qū)箭地氣液電接口連接工作時間；同時采用局部置換技術(shù)，完成管路接口處局部環(huán)境置換工作，避免重新連接后串聯(lián)大系統(tǒng)開展復(fù)雜的置換工作。

4.3 迭 代

對優(yōu)化后流程再次識別關(guān)鍵路徑，開展ECRS優(yōu)化，通過實際操作子樣積累，完成流程優(yōu)化不斷迭代。

通過重新識別，對新關(guān)鍵路徑的項目進行著重分析后，通過開展技術(shù)攻關(guān)或條件建設(shè)，使得原有無法簡化的項目可以簡化，或具備并行操作或縮短測試時間的條件。如隨著火箭自進場至發(fā)射流程不斷迭代優(yōu)化，測發(fā)周期大幅減少，發(fā)射場的特燃特氣保障等輔線工作逐漸變?yōu)楹臅r更長的主線工作。此時制約年發(fā)射能力進一步提升的關(guān)鍵是提升特燃特氣籌措能力，包括增加產(chǎn)能、增加貯運設(shè)備設(shè)施等。

5 優(yōu)化計劃與效果評估

根據(jù)某大型運載火箭測試發(fā)射工藝流程現(xiàn)狀和實踐經(jīng)驗，應(yīng)用關(guān)鍵路徑分析與ECRS方法梳理出“電氣系統(tǒng)分系統(tǒng)測試與動力分系統(tǒng)部分項目并行開展”、“優(yōu)化箭體尾翼安裝”等20項流程優(yōu)化項目，考慮技術(shù)攻關(guān)難度和建設(shè)投入規(guī)模，分階段落實優(yōu)化舉措：

a）近期工藝流程優(yōu)化計劃，指在近1～2年，通過產(chǎn)品技術(shù)成熟度和人員測試熟練度提高，通過重排流程，調(diào)整測試方案，不新增測試條件建設(shè)的優(yōu)化項目。主要包括“交叉并行安排火箭進場、卸車、交接”、“發(fā)動機部分安裝操作并行開展”等5項；

b）中期工藝流程優(yōu)化計劃，指在未來3～5年，通過少量技術(shù)攻關(guān)，適當(dāng)?shù)臈l件建設(shè)，對較為明確，可行性較強的優(yōu)化項目。主要包括“優(yōu)化尾翼安裝”、“實現(xiàn)箭地接口快速對接”、“增加活動發(fā)射平臺”等5項；

c）遠期工藝流程優(yōu)化計劃，指隨著任務(wù)密度進一步提升，需開展較大規(guī)模技術(shù)攻關(guān)和條件建設(shè)的項目。主要包括“增加箭體運輸車”、“優(yōu)化吊裝流程”、“優(yōu)化射前流程”和“提升特燃特氣籌措能力”等10項。

分階段對落實優(yōu)化項后工藝流程開展重排和周期計算，評估優(yōu)化效果如表2所示，遠期優(yōu)化效果可將年發(fā)射能力提升至13.5發(fā)。

表2 近中遠期優(yōu)化效果評估Tab.2 Evaluation of Short, Medium and Long Term Optimization Effect

6 結(jié) 論

迭代使用“關(guān)鍵路徑法+ECRS”方法，分步實施，初步制定了運載火箭近、中、遠期流程優(yōu)化計劃，可逐步將火箭測試發(fā)射周期優(yōu)化至27天以內(nèi)，達到年發(fā)射能力提升至13.5發(fā)的目標(biāo)?，F(xiàn)階段，低溫液體發(fā)動機大噴管隨箭運輸?shù)却胧┘夹g(shù)攻關(guān)難度較大，增加活動發(fā)射平臺和檢修廠房等措施建設(shè)投入較高，工藝流程大幅優(yōu)化難度大。而自動化測試發(fā)射、遠程異地數(shù)據(jù)判讀等技術(shù)進步將有利于流程進一步優(yōu)化。大力推動大型運載火箭測試發(fā)射工藝流程的優(yōu)化是發(fā)射場能力提升的重中之重，需要持續(xù)不斷迭代完善，是更好地完成后續(xù)高密度航天發(fā)射任務(wù)的關(guān)鍵舉措。